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Abundance Tomography of Type Ia Supernovae

Authors
Publisher
Ludwig-Maximilians-Universität München
Publication Date
Keywords
  • Fakultät Für Physik

Abstract

Die Entdeckung der Dunklen Energie basiert nicht zuletzt auf der Interpretation von Beobachtungen weit entfernter bzw. hoch rotverschobener Supernovae vom Typ Ia (z>0,1). Gleichwohl steht eine vollständige und konsistente Beschreibung des physikalischen Ablaufs thermonuklearer Explosionen, die dem Phänomen der Supernovae Ia zugrunde liegen, immer noch aus. So konnte bislang der Zusammenhang zwischen den einzelnen Entwicklungsstufen - vom Vorläuferstern über die explosive Nukleosynthese bis hin zur Phase der homologen Expansion - und den Beobachtungen noch nicht hinreichend geklärt werden. Die Spektren aus der frühen Phase, d.h. einige Tage nach der Explosion, enthalten wichtige Informationen über diesen Ablauf; deren Interpretation steht damit im Zentrum der derzeitigen Supernova Ia Forschung. Geeignete Modelle zur Erzeugung synthetischer Spektren sind das notwendige Werkzeug, um wesentliche Details der thermonuklearen Explosion zu überprüfen und so eine Möglichkeit zur Quantifizierung der Dunklen Energie bereitzustellen. Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe neuer Methoden zur Berechnung synthetischer Spektren die in den Beobachtungen enthaltenen Informationen zu extrahieren und zu analysieren. Den entscheidenden methodischen Schritt stellt dabei die Entwicklung der Tomographie der Elementhäufigkeiten dar. Als wesentlicher Fortschritt kann die Verteilung der Elemente in der Hülle der Supernovae detailliert untersucht werden. Bisherige Verfahren beschränkten sich hierbei lediglich auf die Bestimmung globaler Häufigkeiten spezieller Elemente, während die neue Methode eine vollständige Analyse der radialabhängigen Verteilung aller wichtigen Elemente zulässt. Die Ergebnisse einer ersten Anwendung werden für die Supernova 2002bo präsentiert. Dabei wurde die Spektralanalyse der frühen Phase mit den Ergebnissen der Nebelphase kombiniert, um so eine vollständige Bestimmung der Häufigkeiten - vom innersten Punkt der Hülle bis hin zu den höchsten Radialgeschwindigkeitswerten - zu erhalten. Im nächsten Schritt wurden die Ergebnisse der Häufigkeitsverteilung dazu verwendet, die bolometrische Lichtkurve zu berechnen. Durch den Vergleich mit der beobachteten Lichtkurve konnte so die geschichtete Verteilung der Eisengruppen- und mittelschweren Elemente präzise bestätigt werden. Desweiteren wurde das Samplingverfahren zur Berechnung des Strahlungsfeldes im innersten Bereich erheblich verbessert und so modifiziert, dass es den bei Supernovae Ia vorherrschenden physikalischen Bedingungen besser entspricht. Damit konnte die Strahlungsflussverteilung signifikant verbessert werden, was insbesondere im opazitätsarmen roten Bereich des Spektrums von entscheidender Bedeutung ist. Anhand von Modellen zur Supernova 2002er wird ferner gezeigt, dass die auf der neuen Methode basierenden synthetischen Spektren die Beobachtungen in wesentlichen Punkten, wie beispielsweise die dominanten Spektrallinien von S, Si, Ca und Fe, erheblich besser repräsentieren. Ein weiterer für das Gesamtverständnis wichtiger Punkt bezieht sich auf die Frage nach der Wasserstoffhäufigkeit. Bislang konnten in Typ Ia Supernova Spektren keine Wasserstofflinien nachgewiesen werden. Anhand von Spektren, die mehr als 10 Tage vor dem Helligkeitsmaximum aufgenommen wurden, konnten wir jedoch zeigen, dass bislang ungeklärte Linienabsorptionen, hauptsächlich von Ca und Si bei sehr hohen Geschwindigkeiten durch kleine Mengen Wasserstoff aus der Akkretionsscheibe erklärt werden können. Dieses Ergebnis birgt erhebliche Implikationen für das Verständnis der Supernova Ia Vorläufersterne. Für die Diskussion der Ergebnisse in einem größeren astrophysikalischen Rahmen sind desweiteren folgende Fragestellungen relevant: Was verursacht bei den nahen Objekten das unterschiedliche Verhalten ihrer Lichtkurven? Woraus entstehen sie und wie läuft die Explosion im Detail ab? Welche Konsequenzen hat die präzise Parameterstudie von Supernovae Ia für die Kosmologie? Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, liefert die exakte Kenntnis der Häufigkeitsverteilung der Elemente in den Supernovae Ia Hüllen den Schlüssel zur Beantwortung dieser elementaren Fragen.

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